JP2002151777A

JP2002151777A - レーザー発振器およびそのレーザーパルス制御方法

Info

Publication number: JP2002151777A
Application number: JP2000342881A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Kato; 一夫加藤
Original assignee: Keyence Corp
Current assignee: Keyence Corp
Priority date: 2000-11-10
Filing date: 2000-11-10
Publication date: 2002-05-24

Abstract

(57)【要約】【課題】レーザー強度やＱスイッチ周波数によらず安
定したピークパワーのレーザーパルスを得ることができ
るレーザー発振器を提供する。【解決手段】レーザー発振器は、固体レーザー媒質１
と、励起用光源２と、出力ミラー５と、全反射ミラー４
と、Ｑスイッチ３を備える。共振器にロスを生じさせる
ＲＦ信号の振幅をレーザー出力に応じて一定値に調整
し、Ｑスイッチ３をＯＮとしてレーザー出力を止める場
合は共振器のロスが閾値以上となる程度にＲＦ信号の振
幅を小さくするとともに、Ｑスイッチ３をＯＦＦとして
レーザー出力を生じさせる場合はＲＦ信号を極限させて
残留共振器ロスが共振器ロスの閾値より小さくなるよう
にし、残留共振器ロスが発振に影響しないようすること
で、安定したレーザー出力が得られるよう構成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザー発振器か
ら放出されるレーザー出力パルスを制御するレーザー発
振器およびレーザーパルスを制御する方法に関するもの
である。具体的には、Ｑスイッチを使用して発振動作を
行う固体レーザー装置で、レーザーパルスを安定して出
力させるパルス制御方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】レーザー装置はマーキングやトリミン
グ、切断、溶接等の加工用途で利用されている。ＹＡＧ
レーザ等の個体レーザは、Ｑスイッチを用いることで、
連続発振を尖頭出力値（ピーク値）の高い高速繰り返し
パルス発振に変えることができる。ＹＡＧレーザには、
一般に超音波によるブラッグ回折を利用する音響光学Ｑ
スイッチが使用されている。レーザーマーキングなどレ
ーザーによって加工動作を行うためのレーザー発振器で
は、共振器の内部ロスを制御するためＱスイッチを使用
したレーザのＯＮ／ＯＦＦが行われている。

【０００３】図１にレーザー発振器の概略図を示す。こ
の図に示すレーザー発振器は、固体レーザー媒質１と、
固体レーザー媒質１を励起するための励起用光源２と、
固体レーザー媒質１の一方に配置されるＱスイッチ３
と、全反射ミラー４と、他方に配設される出力ミラー５
を備えている。Ｑスイッチ３は固体レーザー媒質１から
出射されるレーザーの光軸上に位置するよう一方の端面
に面して配設されている。また全反射ミラー４と出力ミ
ラー５は、この間で光を繰り返し反射できるように固体
レーザー媒質１を介して対向するよう配設され、光を増
幅する共振器を構成する。さらに、固体レーザー媒質１
から射出された光を遮断できるように、光軸を遮ること
のできる位置に機械式シャッタ６が必要に応じて配置さ
れる。さらに必要に応じてスキャナ部により出力ミラー
５を通過するレーザー光を対象物の表面に走査させて、
所望の処理を行う。

【０００４】固体レーザー媒質１とＱスイッチ３とを結
ぶ延長線上には、一部透過性の出力ミラー５が配設され
ており、Ｑスイッチ３がＯＮの時に光励起により固体レ
ーザー媒質１を励起してエネルギーを蓄え、Ｑスイッチ
３がＯＦＦの時に出力ミラー５と全反射ミラー４との間
で瞬間にレーザ発振が起こり、出力ミラー５から一部レ
ーザ光が出力されるようになされている。出力ミラー５
のレーザ光の出力側には、加工位置を制御するためのス
キャナ部を配設させることができる（図示せず）。スキ
ャナ部の内部には、出力ミラー５からのレーザ光を下方
に指向させるとともに、Ｘ−Ｙ方向に走査させるための
２枚の可動ミラーが内蔵される（図示せず）。また、ス
キャナ部の出射部分には、Ｆθレンズが取付けられてお
り、このレンズの焦点位置には、対象物が配置される。

【０００５】Ｑスイッチの一例を図２に示す。Ｑスイッ
チ３には、音響光学Ｑスイッチとして合成石英ガラス７
に圧電体素子８を貼り付けたものがよく用いられてい
る。この図に示す音響光学Ｑスイッチ３は、圧電体トラ
ンスデューサに高周波電源９を接続し、数十ＭＨｚの高
周波である高周波（ＲａｄｉｏＦｒｅｑｕｅｎｃｙ、
以下「ＲＦ」と呼ぶ）信号電圧を印加することにより、
石英内部に弾性波を発生させることができる。印加する
ＲＦ電圧の周波数としては、２０ＭＨｚ、２４ＭＨｚが
主に使用されている。圧電体素子８にＲＦ電圧を印加し
ない状態では、図２（ａ）に示すように共振器内部のレ
ーザー光はＱスイッチ３を透過する。一方、図２（ｂ）
に示すように圧電体にＲＦ電圧を印加して石英内部に弾
性波を発生させると、弾性波の疎密によって屈折率の差
が生じ、回折格子が形成される。この回折格子で光を回
折させることによって共振器にロスを生じさせることが
でき、レーザー出力を制御できる。

【０００６】たとえば２４ＭＨｚ、５０Ｗの高周波電気
信号が圧電体素子８に与えられると、ピエゾ効果によっ
て高周波電気信号が超音波に変換される。その超音波が
石英ガラス７内を伝播して、光弾性効果により石英ガラ
ス７内に周期的な屈折率分布が生じる。ここに適当な角
度で光を入射させると、ブラッグ角で入射した光が図２
（ｂ）のように回折されるという音響光学効果が生じ
る。

【０００７】つまり、ＲＦ電圧を印加して圧電体を振動
させることで弾性波を発生させてＱスイッチ３を通過す
るレーザー光を遮るので、結果として共振器でロスを生
じさせることができる。ＲＦ電圧が大きくなるに従っ
て、共振器のロスを大きくすることができレーザー出力
を抑制できるので、ＲＦ電圧の調整によりレーザー出力
を制御することが可能になる。さらに共振器ロスを大き
くすると、レーザー発振が抑制されて遂には出力が停止
される。ここでレーザー出力を停止することができる最
小のＲＦ信号を、ＲＦ電圧閾値とする。

【０００８】図３にＲＦ信号とレーザー出力パルスの波
形の関係を示す。図３（ａ）はＲＦ信号の概略波形であ
り、この振幅でＱスイッチ３がＯＮになる。実際のＲＦ
信号の波形は正弦波状であるが、図では簡単のため左側
の一部を除き箱形で擬似的に示している。ＲＦ信号の振
幅が０のとき、すなわちＱスイッチ３がＯＦＦのときレ
ーザー出力はＯＮとなり、図３（ｂ）で示すようなパル
スが生じる。

【０００９】この図に示すように、Ｑスイッチ３でレー
ザー発振のＯＮ／ＯＦＦを繰り返すことより、レーザー
出力をパルス状にすることができる。ＲＦ電圧をＱスイ
ッチ３に印加し、レーザー発振を停止できるほどの共振
器ロスを生じさせた状態では、Ｑスイッチ３がＯＮでレ
ーザーがＯＦＦとなる。一方Ｑスイッチ３に印加したＲ
Ｆ電圧が低い、もしくは０Ｖとした状態では、Ｑスイッ
チ３がＯＦＦでレーザーがＯＮとなる。この状態を繰り
返すことで、レーザー発振をＯＮ／ＯＦＦ制御すること
ができる。つまり、レーザーをＯＮにする一定時間（例
えば数μ秒）の一定時間をＴ_ｏｎとし、レーザーをＯＦ
Ｆとする一定時間をＴ_ｏｆｆとして、Ｔ _ｏｎとＴ_ｏｆｆ
を繰り返すことによりレーザー出力をパルス状に発生さ
せることができる。Ｔ_ｏｆｆによってパルス発生の時間
間隔が制御可能で、Ｔ_ｏｆｆが長いほどこの間に固体レ
ーザー媒質に蓄積されるエネルギーが大きくなるので、
再開後のパルスピークパワーが大きくなる。

【００１０】レーザーがＯＦＦの期間は、固体レーザー
媒質に励起エネルギーが蓄積される。そしてレーザーが
ＯＮとなったとき、蓄積されたエネルギーがパルスレー
ザー光となって出力される。例えば固体レーザー媒質１
にＹＡＧ結晶を使用して、ＹＡＧロッドに一定の励起エ
ネルギーを与え続けた場合、ＹＡＧロッドに蓄積される
エネルギーは時間とともに大きくなり、励起エネルギー
によって決まる値に飽和する。図４に示すように、Ｑス
イッチ３によるＯＮ／ＯＦＦの繰り返し周波数、すなわ
ちＱスイッチ周波数が図４（ａ）に示すように１ｋＨｚ
よりも遅くなると、レーザＯＦＦの期間にＹＡＧロッド
に蓄積されるエネルギーは飽和して、図４（ｂ）に示す
ようにレーザー出力は最大となる。これより速い繰り返
し周波数でＲＦ電圧を印加すると、エネルギーを蓄積す
る時間が短くなるため、繰り返し周波数が高くなるにつ
れて１パルスあたりの出力エネルギーは減少する。固体
レーザー媒質に蓄積されているエネルギーによって閾値
は変化し、蓄積エネルギーが大きいほど閾値は高くな
る。同一励起エネルギーでもＱスイッチ周波数により閾
値は変化する。また固体レーザー媒質に使用する結晶の
種類によっても閾値は変わる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】Ｑスイッチ３に印加す
るＲＦ電圧が大きい程、Ｑスイッチ３の合成石英ガラス
７内部に生じている弾性波の大きさは大きくなるので、
Ｑスイッチ３に入射される入射光の内で回折される回折
光が多くなって共振器のロスも大きくなる。

【００１２】しかしながら、ＲＦ電圧を急峻にＯＦＦし
ても、石英ガラス７内部の弾性波は直ちに消滅せず徐々
に減衰して消失するため、回折光もゼロとはならずに共
振器ロスがしばらく残る。

【００１３】図５にレーザーパワーが強い場合と弱い場
合のそれぞれにおける（ａ）ＲＦ信号、（ｂ）共振器ロ
ス、（ｃ）および（ｄ）に各レーザー出力の波形を示
す。ここで、ＲＦ信号がＯＮ状態における共振器ロスを
ζ_Ａ、ＲＦ信号をＯＦＦした瞬間の残留共振器ロスをζ
_Ｂとし、さらにレーザーパワーが強い場合のレーザー発
振が開始される閾値をζ_Ｓ、レーザーパワーが弱くＱス
イッチ周波数が高い場合のレーザー発振が開始される閾
値をζ_Ｗとする。

【００１４】図５（ｂ）に示すように、共振器ロスはＲ
Ｆ信号が０になった瞬間から直ちに０とはならず、残留
弾性波の影響でζ_Ｂまで一旦低下した後、徐々に０に向
かって減衰していく。このＲＦ信号が０になったときか
ら共振器ロスが０になるまでの時間をＴ_Ｒとする。

【００１５】図５（ｃ）に示すようにレーザーパワーが
強い場合は、レーザー発振が開始される閾値ζ_Ｓがζ_Ｂ
より大きいため、ＲＦ信号を急峻にＯＦＦしても直ちに
共振器ロスが閾値ζ_Ｓを通過してこれより低いζ_Ｂとな
るので、レーザ発振が速やかに開始される。このため、
ζ_Ｂに比べてζ_Ｓが大きいほど残留弾性波がしばらく残
ることによる影響は受けにくい。

【００１６】しかしながら図５（ｄ）に示すようにレー
ザーパワーが弱くＱスイッチ周波数が高い場合、具体的
にはレーザー発振が開始される閾値ζ_Ｗがζ_Ｂよりも小
さくなるようなレーザーパワーの場合であれば、ＲＦ信
号をＯＦＦにしても共振器ロスが閾値ζ_Ｗにまで下がら
ず、直ちにレーザーが発振されない。共振器ロスはζ _Ｂ
に低下した後、時間の経過とともに徐々に低下してい
き、閾値ζ_Ｗに達した時点でレーザー発振が開始される
ことになる。ζ_Ｂ以下での共振器ロスの波形は不安定で
あるから、レーザー発振パルスも不安定となってしま
う。閾値ζ_Ｗに至るまでの所要時間が一定に定まらず、
また共振器ロスの波形が不安定であるため、ζ_Ｗ近傍で
レーザー発振が不安定となる。さらに、共振器ロスの波
形が急峻でなくだらだらと続くためにパルス幅が広くな
ってしまい、ピークパワーも低下する。このようにレー
ザーパワーが弱い場合は、レーザー発振開始が遅れるば
かりか、レーザー出力波形もシャープなパルスになら
ず、半値幅の広い弱いパルスとなってしまう弊害があっ
た。さらにパルス毎のピークパワーとパルス幅がばらつ
き、安定しなくなるのでレーザーパワーが弱いときは印
字が安定しないという弊害があった。

【００１７】本発明はこのような弊害を防止するために
開発されたものである。本発明の重要な目的は、レーザ
ー強度やＱスイッチ周波数などによらず、安定したピー
クパワーのレーザーパルスを得ることができるレーザー
発振器を提供することにある。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１に記載
されるレーザー発振器は、固体レーザー媒質と、前記固
体レーザー媒質を励起するための励起用光源と、前記固
体レーザー媒質から出射されるレーザー光の光軸上に位
置する全反射ミラーと、前記固体レーザー媒質を介して
前記全反射ミラーと対向する出力ミラーと、前記全反射
ミラーと前記出力ミラーとの間で前記固体レーザー媒質
から出射される励起レーザー光の光軸上に配され、かつ
高周波電圧信号が印加されることにより励起レーザー光
をパルス発振させるＱスイッチを備える。この構成のレ
ーザー発振器はさらに、前記レーザー発振器からのレー
ザー発振を停止できる最小の高周波信号値に基づいて閾
値を設定する閾値設定手段と、前記レーザー発振器から
のレーザー発振がなされる前に、前記閾値設定手段によ
り設定された閾値まで前記高周波信号を調整する高周波
信号調整手段と、前記高周波信号調整手段により調整さ
れた高周波信号をレーザー発振開始時に前記閾値よりも
低下させるレーザー発振制御手段とを備えている。

【００１９】また、本発明の請求項２に記載されるレー
ザー発振器は、レーザー発振開始前に前記高周波信号の
振幅を段階的に減衰させることを特徴とする。

【００２０】さらに、本発明の請求項３に記載されるレ
ーザー発振器は、レーザー発振の開始よりも前に、高周
波信号の振幅が０になった時点から共振器に残留する損
失が０になるまでに要する時間よりも長く、前記高周波
信号を前記閾値まで調整することを特徴とする。

【００２１】さらにまた、本発明の請求項４に記載され
るレーザー発振器は、前記レーザー発振制御手段が前記
高周波信号をスロープさせて振幅を０に近付けるよう減
衰させることを特徴とする。

【００２２】さらにまた、本発明の請求項５に記載され
るレーザー発振器は、前記レーザー発振制御手段が前記
高周波信号のスロープを開始させるときに、前記Ｑスイ
ッチ内部で発生された弾性波の振動を強制的に抑制する
ように高周波信号の位相をずらすことを特徴とする。

【００２３】さらにまた、本発明の請求項６に記載され
るレーザー発振器は、前記レーザー発振制御手段が前記
高周波信号のスロープを開始させる初期値を、直前の振
幅よりも小さくすることを特徴とする。

【００２４】さらにまた、本発明の請求項７に記載され
るレーザー発振器は、固体レーザー媒質と、前記固体レ
ーザー媒質を励起するための励起用光源と、前記固体レ
ーザー媒質から出射されるレーザー光の光軸上に位置す
る全反射ミラーと、前記固体レーザー媒質を介して前記
全反射ミラーと対向する出力ミラーと、前記全反射ミラ
ーと前記出力ミラーとの間で前記固体レーザー媒質から
出射される励起レーザー光の光軸上に配され、かつ高周
波電圧信号が印加されることにより励起レーザー光をパ
ルス発振させるＱスイッチを備える。このレーザー発振
器は、前記レーザー発振器からのレーザー発振がなされ
る前に、レーザー発振を停止できる最小の高周波信号で
ある閾値近傍まで前記高周波信号を調整し、レーザー発
振開始時に前記調整された高周波信号を前記閾値よりも
低下させるよう構成されている。

【００２５】さらにまた、本発明の請求項８に記載され
るレーザー発振器のレーザーパルス制御方法は、Ｑスイ
ッチに印加する高周波信号を前記レーザー発振器からの
レーザー発振を停止できる最小の高周波信号である閾値
に設定する工程と、前記レーザー発振器からのレーザー
発振がなされる前に、前記設定された閾値まで前記高周
波信号を調整する工程と、前記調整された高周波信号を
レーザー発振開始時に前記閾値よりも低下させる工程を
含むことを特徴とする。

【００２６】本発明のレーザー発振器およびレーザー発
振方法によれば、レーザー発振器から出力されるレーザ
ーのパワーが弱い場合であっても、安定なパルス出力を
得ることができる。ＲＦ信号をＯＦＦしても残留弾性波
がしばらく残ってしまうため、レーザーパワーが弱い場
合はレーザー発振器がレーザー発振出力を開始する閾値
の近傍で共振器のロスが不安定になり、ピーク値は高く
ならず半値幅も悪いレーザー出力となる問題があった。

【００２７】本発明では、レーザー発振開始時に、共振
器のロスを一旦レーザー出力とＱスイッチ周波数で決ま
る閾値に安定させた後、減少させるよう構成している。
その方法としては、ＲＦ信号を急峻に０としたときの共
振器の残留ロスが、ロスの閾値に比べて小さくなり無視
できるようにＲＦ信号の振幅を調整することが挙げられ
る。また、共振器のロスが減衰する際の波形をスロープ
状にしてスムーズに閾値から０になるような構成とする
ことでも実現できる。さらにスロープの傾きを急にして
速やかに閾値を通過させる、位相をずらして残留波の影
響を強制的に抑制する方法も利用できる。

【００２８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図面に基
づいて説明する。ただし、以下に示す実施例は、本発明
の技術思想を具体化するためのレーザー発振器およびレ
ーザー発振方法を例示するものであって、本発明はレー
ザー発振器およびレーザー発振方法を以下のものに特定
しない。

【００２９】さらに、この明細書は、特許請求の範囲を
理解し易いように、実施例に示される部材に対応する番
号を、「特許請求の範囲の欄」、および「課題を解決す
るための手段の欄」に示される部材に付記している。た
だ、特許請求の範囲に示される部材を、実施例の部材に
特定するものでは決してない。

【００３０】レーザ発振器が出力するレーザーパワーの
強弱は、レーザー発振器のユーザーが指定する。一般に
レーザーパワーが強い場合、レーザー発振が開始される
Ｑスイッチによる共振器ロスの閾値は大きくなり、逆に
レーザーパワーが弱い場合、閾値は小さくなる。本明細
書においてレーザーパワーが強い、あるいは弱いとは、
特に指定がある場合を除き閾値を基準にしている。ＲＦ
信号を急峻に０としたときに残留する共振器ロスが、閾
値に対して低い場合、レーザーパワーは高いといい、一
方ＲＦ信号を０としたときの残留共振器ロスが閾値に対
して高い場合、レーザーパワーが低いという。

【００３１】レーザーパワーが強い場合は、上述の通り
ロスの閾値が高くなるため、ＲＦ信号を急峻に０とした
ときの残留ロスに対してロスの閾値が大きく、残留ロス
の影響をほとんど受けず問題は生じない。問題となるの
は、弱いレーザーパワーの場合、すなわちＲＦ信号を急
峻に０としたときに残る共振器ロスが閾値以上である場
合で、不安定な波形で共振器ロスが徐々に減衰していく
ときにレーザー出力が不安定となる。以下、弱いレーザ
ーパワーにおいてレーザー出力を安定させるための実施
例について説明する。

【００３２】［実施例１］図６に、実施例１に係る方法
でレーザー出力を安定させるときの（ａ）ＲＦ信号、
（ｂ）共振器ロス、（ｃ）レーザー出力の各信号波形を
示す。この方法では、レーザーを止めるためのＲＦ信号
を低く抑える。閾値ζ_Ｗはレーザーの出力に依存し、レ
ーザー出力が大きいとζ_Ｗも大きくなり、逆にレーザー
出力が小さいとζ_Ｗも小さくなる。このため、レーザー
を止めるためのＲＦ信号は、レーザー出力が小さいとき
は小さい振幅で済む。

【００３３】図６の例では、レーザーパワーが弱い場合
にレーザーをＯＦＦさせるＲＦ信号の振幅を、レーザー
出力に応じて小さくする。ζ_Ｂの値はζ_Ａに依存する。
ＲＦ信号の振幅を小さくすることでζ_Ａの値をζ_Ｗに近
付けることができ、ζ_Ｗに対するζ_Ｂの影響を小さくで
きる。図６はζ_Ａをζ_Ｗに一致させた理想状態を示して
いるが、実際の使用時には完全に一致させなくとも、レ
ーザー光の漏れや使用環境による変動などを考慮してζ
_Ａをζ_Ｗよりも若干大きくしてマージンをとる。ζ_Ａを
ζ_Ｗに近付けることによって、ＲＦ信号がＯＦＦになる
ときにζ_Ｗに対するζ_Ｂの影響が小さくできるため、レ
ーザー発振が速やかに開始される。このため、弱いレー
ザーパワーの場合でも、いいかえるとＱスイッチ周波数
が高く１パルス毎の蓄積エネルギーの小さい場合でも、
パルス毎に安定でピークパワーの高いパルスを得ること
ができる。

【００３４】［実施例２］図７に、実施例２に係る方法
でレーザー出力を安定させるときの（ａ）ＲＦ信号、
（ｂ）共振器ロス、（ｃ）レーザー出力の各信号波形を
示す。図５に示すようにＲＦ信号の振幅を最大値から急
峻にＯＦＦした時点から残留弾性波の影響が減衰し共振
器ロスが完全に０になるまでに要する時間をＴ_Ｒとする
と、図７の方法は、レーザーパルスを発振させる直前
に、ζ_Ａから急峻にＲＦ信号を０にした場合に残留ロス
が存在すると考えられるＴ_Ｒ時間は待って、共振器ロス
がζ_Ｗとなる程度にＲＦ振幅を小さくすることで、ＲＦ
信号の振幅をＯＦＦしたとき残留共振器ロスζ_Ｂが閾値
ζ_Ｗに影響を及ぼさないようにして発振パルスを速やか
に得るものである。なお図７（ａ）に示すＲＦ信号の左
側部分の振幅は、レーザー発振を確実に停止できるよう
ＲＦ閾値よりも十分大きい値としており、好ましくはＲ
Ｆ信号の最大値とする。

【００３５】図７の方法でレーザー出力を開始する場
合、その直前のＴ_Ｒもしくはそれ以上の時間、ＲＦ信号
の振幅をレーザー発振を止めることのできるζ_Ｗ程度に
小さくする。いいかえると、この間に残留共振器ロスζ
_Ｂが閾値ζ_Ｗに比較して無視できるほど小さくなるよう
に落とす。これにより、Ｔ_Ｒ経過後ＲＦ信号をＯＦＦに
する際に残留共振器ロスζ_Ｂが閾値ζ_Ｗに影響しない。
したがって、Ｑスイッチ３がＯＦＦとなってレーザー出
力が速やかに得られる。このように、弱いレーザーパワ
ーの場合でもパルス毎に安定したピークパワーの高いパ
ルスのレーザー発振を得ることができる。またレーザー
発振を停止するときには、ζ_Ｗ以上のロスを付加するこ
とでレーザの漏れを抑止する。

【００３６】［実施例３］図８に、実施例３に係る方法
でレーザー出力を安定させるときの（ａ）ＲＦ信号、
（ｂ）共振器ロス、（ｃ）レーザー出力の各信号波形を
示す。この方法は、レーザーパルスを発振させる前にＲ
Ｆ振幅を小さくするとともに、ＲＦ信号の振幅を徐々に
ＯＦＦさせて共振器ロスの減衰波形にスロープを付与す
るものである。これにより共振器ロスがスムーズに閾値
から０になり、安定したレーザーパルス波形を得ること
ができる。

【００３７】図８に示すように、レーザーパワーが弱い
場合に上記実施例２と同じくＴ_Ｒの期間中、ＲＦ信号の
振幅をレーザー発振を止めることのできる程度まで小さ
くする。Ｔ_Ｒ経過後、ＲＦ信号の振幅が徐々に０となる
ように制御する。この場合、ＲＦ信号が徐々に減衰して
０に近づくため、これに従い共振器ロスも安定したスロ
ープ波形で減衰していき、徐々に０となる。このように
共振器ロスの波形が不安定になることなく、安定した波
形で減衰していくため安定したレーザーパルスが得られ
る。このように、実施例３ではレーザーパワーが弱い場
合においてもパルス波形を安定させることができる。な
お図８においては、スロープ波形として時間に比例して
減衰する波形を採用しているが、これ以外の減衰波形を
利用してもよい。例えば指数関数的に減衰するスロープ
を用いることもできる。また、スロープする傾きを調整
することで、レーザー出力のパルス幅の制御が可能とな
る。

【００３８】［実施例４］図９に、実施例４に係る方法
でレーザー出力を安定させるときの（ａ）ＲＦ信号、
（ｂ）共振器ロス、（ｃ）レーザー出力の各信号波形を
示す。この方法は、レーザーパルスを発振させる前にＲ
Ｆ振幅を小さくするとともに、ＲＦ信号の振幅の位相を
ずらすことにより強制的に振動を抑制するものである。
これにより実施例３に比して共振器ロスをより急峻なス
ロープとして、ピークの尖鋭な波形を得ることができ
る。

【００３９】図９に示すように、レーザーパワーが弱い
場合に上記実施例３と同じくＴ_Ｒの期間中、ＲＦ信号の
振幅をレーザー発振を止めることのできる程度まで小さ
くする。Ｔ_Ｒ経過後、ＲＦ信号の振幅を減衰させるとき
に位相をずらす。これにより、Ｑスイッチ３内部の合成
石英ガラス７に生じている弾性波に対して反発力が働
き、強制的に弾性波が抑制される。その結果、弾性波の
減衰が促進されて残留共振器ロスが小さくなる。このた
め、残留共振器ロスにより不安定になっていたパルスが
安定になり、レーザー出力波形のピーク値は高く、半値
幅の狭い優れた波形を得ることができる。

【００４０】ＲＦ信号の位相をずらす度合いは任意に設
定でき、位相差により残留ロスを制御できる。図９では
位相を１８０°ずらした場合を示す。ただ、位相差の値
はこれに限定するものでなく使用状況に応じて最適値に
設定される。

【００４１】［実施例５、６］またスロープを開始させ
る初期値を小さくして、残留ロスを小さく抑えることも
できる。例えば図１０に示すように、一旦ＲＦ信号の振
幅を小さくした後にスロープ開始させる時のＲＦ振幅を
さらに小さくする。さらに図１１に示すように、上述し
た位相のシフトを組み合わせてもよい。初期値を小さく
する程度は、共振器ロスの閾値の低下に応じて設定でき
る。

【００４２】ＲＦ信号の振幅を段階的にステップ状に低
下させる方法は、所定の時間Ｔ_Ｒ待つことにより共振器
ロスの閾値を低下させることができる。

【００４３】このように共振器ロスの波形が不安定にな
ることなく、安定した波形で減衰していく。このよう
に、実施例４では弱いレーザーパワーでも安定したパル
スが得られる。

【００４４】レーザー発振が開始されるときのＲＦ信号
の閾値の測定は、レーザー発振器を使用する前に予め測
定しておく。図１２に、レーザー発振器としてレーザー
加工機を使ったシステムにおいて、閾値を検出するため
の概略図を示す。図に示すレーザー発振器は、固体レー
ザー媒質１と、これに光軸を一致させて一方の端面にＱ
スイッチ３と機械式シャッタ６Ｂ、全反射ミラー４をそ
れぞれ配置する。Ｑスイッチ３にはこれに印加するＲＦ
信号を制御する制御手段１３が接続されている。

【００４５】他面にはレーザー出力の一部を取り出すた
めの出力ミラー５、ハーフミラー１０、機械式シャッタ
６Ａを設ける。機械式シャッタ６Ａは、レーザー光がハ
ーフミラー１０を通過する位置に配置する。さらに、ハ
ーフミラー１０の反射先に、レーザー波長を取り出すた
めのレーザー波長フィルタ１１と、レーザー光検出素子
１２を設ける。

【００４６】ハーフミラー１０の反射率は、加工動作に
支障の無いように、たとえば１％以下とできる。ハーフ
ミラー１０の反射先の位置には、励起光の影響をなくす
ためにレーザー波長のみを通すレーザー波長フィルタ１
１を設けている。レーザー波長フィルタ１１はこれの代
わりに、レーザー波長以外の励起光のみを除くフィルタ
としてもよい。あるいはまた、上記のハーフミラー１０
にフィルタ機能を持たせて兼用させる構成とすることも
できる。

【００４７】レーザー波長フィルタ１１を通過したレー
ザー光を、フォトダイオード等のレーザー光検出素子１
２で検出する。レーザー光検出素子１２の感度は、固体
レーザー媒質からの自然放出光を受光しない最大の感度
とする。

【００４８】一方、励起用光源２としては、励起ランプ
や半導体レーザ等が使用できる。また固体レーザー媒質
１にはＹＡＧ結晶等が利用できる。励起用光源２で固体
レーザー媒質１を励起し、レーザー光を放出して全反射
ミラー４と出力ミラー５で構成される共振器によって増
幅され、出力ミラー５側からレーザー出力が放出され
る。

【００４９】制御手段１３は閾値を設定する閾値設定手
段、閾値に基づいてこの値に近くなるようＲＦ信号を調
整する高周波信号調整手段、およびＲＦ信号をレーザー
発振開始時に閾値よりも低下させるレーザー発振制御手
段の機能を果たす。制御手段１３は、ＲＦ信号を生成し
これを制御する回路を備えており、ＣＰＵなどの電子部
品で構成される。制御部１３の具体的な回路構成や配置
などは、必要に応じて適宜変更できる。

【００５０】なお閾値設定手段が設定する閾値とは、レ
ーザー発振を停止できる最小のＲＦ信号であるＲＦ閾
値、もしくはこのＲＦ閾値に基づいて定められる値とす
る。例えばＲＦ閾値よりも若干低くした値を閾値として
設定してもよい。

【００５１】Ｑスイッチに印加されるＲＦ信号は、レー
ザー発振停止時には閾値より十分大きな振幅、好ましく
は最大振幅とされる。またレーザー発振開始時には、上
述のように測定、演算などにより得られたＲＦ信号の閾
値に基づいて、これにマージンを加算して若干大きなＲ
Ｆ信号を初期値としてセットする。さらにレーザー発振
開始直前に、閾値ぎりぎりまで前記高周波信号を下げる
よう調整する

【００５２】このレーザー加工機を使って通常の加工動
作を行うときは、機械式シャッタ６Ａ、Ｂとも開放され
る。また完全にレーザを遮断する場合は、機械式シャッ
タ６Ｂを閉じて光を遮断する。このとき機械式シャッタ
６Ａを閉じてもよい。

【００５３】ＲＦ閾値を検出する場合は、まずＱスイッ
チ３に印加するＲＦ電圧を最大値に設定する。このとき
機械式シャッタ６Ａを閉じてレーザー出力を止め、機械
式シャッタ６Ｂを開く。そして徐々にＲＦ値を低下させ
ていき、レーザー光検出素子１２に出力が検出されるか
どうか監視する。Ｑスイッチ３による共振器ロスが徐々
に小さくなりレーザー出力が放出されるようになると、
共振器から出力ミラー５を通じて出力が放出される。こ
の出力がハーフミラー１０で一部反射され、レーザー波
長フィルタ１１を通じてレーザー光検出素子１２に至
る。レーザー光検出素子１２に出力が生じた時のＲＦ信
号値が、ＲＦ閾値となる。このときに得られる共振器ロ
スの値が、ロスの閾値となる。

【００５４】ＲＦ閾値はレーザーのパワーによって変動
し、例えば固体レーザー媒質１から出射されるレーザー
パワーが大きいときはＲＦ閾値も大きくなり、レーザー
パワーが低い場合はＲＦ閾値も低くなる。また、このＲ
Ｆ閾値はその励起により固体レーザー媒質に蓄積されて
いるエネルギーが最大の場合の閾値である。よって、Ｑ
スイッチ周波数が高くなり蓄積エネルギーが小さくなる
につれて閾値は低下する。その励起での最大ＲＦ閾値か
ら、各Ｑスイッチ周波数における閾値を算出することが
できる。

【００５５】ＲＦ閾値の測定は、励起光源の設定電流毎
に事前に測定しておき、レーザーの制御システムに設定
テーブルとしてデータを保持させることができる。ただ
し、使用条件や経年とともに、励起光源の劣化やＱスイ
ッチ３の劣化によってＲＦ閾値も変動していく。また個
体差によっても変動し制御精度が低下するので、必要に
応じてユーザー側で測定し直すことも可能である。ある
いは環境温度や固体レーザー媒質の種別等を入力し、所
定の計算式に基づいて閾値を推定することもできる。閾
値の算出は、装置内部で自動的に行われる。

【００５６】ＲＦ閾値の設定は、励起光の設定が変更さ
れた直後や加工動作を行う直後など、加工動作を行って
いない間に上記の手順によって測定し設定する。

【００５７】

【発明の効果】本発明のレーザー発振器およびそのレー
ザーパルス制御方法は、レーザーのパワーとＱスイッチ
周波数に関わらず安定したピークパワーのレーザーパル
スを得ることができる。特に、出力されるレーザーパワ
ーが弱くＱスイッチ周波数が高い場合でも、出力パルス
が不安定になることを防止して、所望の安定したピーク
パワーで各パルスを得ることできる特長を実現する。こ
れは、本発明のレーザー発振器およびそのレーザーパル
ス制御方法がレーザー出力に応じてＱスイッチをＯＮに
するＲＦ信号の振幅を調整する構成としているからであ
る。

【００５８】従来行われているＱスイッチ制御技術で
は、レーザーパワーが弱い場合でも、レーザーパワーが
強い場合に必要とされるＲＦ電圧と同様のＯＮ／ＯＦＦ
動作を使用して、レーザーパルスを発生させている。レ
ーザーパワーが強い場合には、ＲＦ信号をＯＦＦしたと
きに残留する弾性波の影響を受けることなく発振し始め
ることができるので、ある程度安定したパルスを得るこ
とができる。しかしながら、弱いレーザーパワーの場
合、ＲＦ信号がＯＦＦになった後でレーザー発振ができ
る程度に弾性波が弱くなるまでに時間がかかり、レーザ
ー発振を始める瞬間の弾性波の状態がパルスごとに安定
しないので、パルス毎の出力も安定せずレーザのピーク
値の半値幅が揃わないことになる。さらにまた、レーザ
ー発振が始まった後もロスが急峻に０にならず、徐々に
小さくなっていくためにパルス幅が広がってしまい、ピ
ークパワーが小さくなってしまう。

【００５９】閾値はレーザーパワーとＱスイッチ周波数
によって変動するので、本発明では予めＲＦ閾値のデー
タを得ておくことで、このＲＦ閾値に基づいてレーザー
発振出力をＯＦＦとできるＲＦ信号を調整することによ
りレーザー発振出力を抑制できる。さらに、レーザー発
振出力を開始するときはＲＦ信号を低下させて残留共振
器ロスの影響を受けないようにした。このように、ＲＦ
信号を最適に制御して、安定した高品質のレーザー出力
を得る特長が実現される。

【００６０】特に、本発明の請求項１に記載されるレー
ザー発振器では、ＲＦ信号の振幅をＲＦ閾値よりも若干
高い振幅としてレーザー出力をＯＦＦにすることで、Ｒ
Ｆ信号をＯＦＦとしたとき残留共振器ロスが共振器ロス
の閾値に比べて小さく発振に影響しないため出力パルス
が不安定になることがない。

【００６１】また本発明の請求項２に記載されるレーザ
ー発振器では、ＲＦ信号がＯＮ時の平常の振幅は一定の
ままで、ＲＦ信号をＯＦＦにする直前で一定時間レーザ
ー出力に応じたＲＦ閾値よりも若干高い振幅としてレー
ザー出力をＯＦＦにすることで、ＲＦ信号をＯＦＦとし
たとき残留共振器ロスが閾値より小さくレーザー発振に
影響しない。この方法では、通常のＱスイッチＯＮ時は
ＲＦ信号に特別な制御を加えることなく、ＱスイッチＯ
ＦＦ時の前からＲＦ信号の振幅を制御して残留共振器ロ
スの影響を回避し、出力パルスの安定化している。

【００６２】さらにまた、本発明の請求項３に記載され
るレーザー発振器では、上記に加えてＲＦ信号を０にす
る過程で徐々に減衰させて、共振器ロスをスロープさせ
るように制御している。このため、共振器ロスは安定し
て閾値から０になるためレーザー出力が小さい場合でも
各パルス毎の出力を安定させることができる。

【００６３】さらにまた請求項４に記載されるレーザー
発振器では、ＲＦ信号を減衰させるときに波形の位相を
ずらすことにより、Ｑスイッチ内部の弾性波を強制的に
抑制し、残留ロスを強制的に抑制する。残留ロスの影響
が抑制されるほどパルス幅は小さくなり、その結果とし
てピークパワーは大きくなる。このため、迅速に高い出
力ピーク値を安定的に得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係るレーザ発振器の概略図

【図２】Ｑスイッチの一例を示す概略側面

【図３】Ｑスイッチ周波数が高いときのＲＦ信号とレー
ザー発振出力の状態を示す概略波形図

【図４】Ｑスイッチ周波数が低いときのＲＦ信号とレー
ザー発振出力の状態を示す概略波形図

【図５】レーザーパワーが強い場合と弱い場合における
ＲＦ信号、共振器ロス、レーザー出力の波形を示す概略
波形図

【図６】本発明の実施例１に係るレーザ発振器のＲＦ信
号、共振器ロス、レーザー出力の波形を示す概略波形図

【図７】本発明の実施例２に係るレーザ発振器のＲＦ信
号、共振器ロス、レーザー出力の波形を示す概略波形図

【図８】本発明の実施例３に係るレーザ発振器のＲＦ信
号、共振器ロス、レーザー出力の波形を示す概略波形図

【図９】本発明の実施例４に係るレーザ発振器のＲＦ信
号、共振器ロス、レーザー出力の波形を示す概略波形図

【図１０】本発明の実施例５に係るレーザ発振器のＲＦ
信号、共振器ロス、レーザー出力の波形を示す概略波形
図

【図１１】本発明の実施例６に係るレーザ発振器のＲＦ
信号、共振器ロス、レーザー出力の波形を示す概略波形
図

【図１２】本発明の一実施例に係るレーザ発振器でＲＦ
閾値を測定する状態を示す概略図

【符号の説明】

１…固体レーザー媒質２…励起用光源３…Ｑスイッチ４…全反射ミラー５…出力ミラー６…機械式シャッタ６Ａ…機械式シャッタ６Ｂ…機械式シャッタ７…合成石英ガラス８…圧電体素子９…高周波電源１０…ハーフミラー１１…レーザー波長フィルタ１２…レーザー光検出素子１３…制御手段

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】固体レーザー媒質と、前記固体レーザー
媒質を励起するための励起用光源と、前記固体レーザー
媒質から出射されるレーザー光の光軸上に位置する全反
射ミラーと、前記固体レーザー媒質を介して前記全反射
ミラーと対向する出力ミラーと、前記全反射ミラーと前
記出力ミラーとの間で前記固体レーザー媒質から出射さ
れる励起レーザー光の光軸上に配され、かつ高周波電圧
信号が印加されることにより励起レーザー光をパルス発
振させるＱスイッチを備えるレーザー発振器において、前記レーザー発振器からのレーザー発振を停止できる最
小の高周波信号値に基づいて閾値を設定する閾値設定手
段と、前記レーザー発振器からのレーザー発振がなされる前
に、前記閾値設定手段により設定された閾値まで前記高
周波信号を調整する高周波信号調整手段と、前記高周波信号調整手段により調整された高周波信号を
レーザー発振開始時に前記閾値よりも低下させるレーザ
ー発振制御手段とを備えるレーザー発振器。
【請求項２】レーザー発振開始前に前記高周波信号の振
幅を段階的に減衰させることを特徴とする請求項１記載
のレーザー発振器。
【請求項３】レーザー発振の開始よりも前に、高周波信
号の振幅が０になった時点から共振器に残留する損失が
０になるまでに要する時間よりも長く、前記高周波信号
を前記閾値まで調整することを特徴とする請求項１また
は２のいずれかに記載のレーザー発振器。
【請求項４】前記レーザー発振制御手段が前記高周波
信号をスロープさせて振幅を０に近付けるよう減衰させ
ることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の
レーザー発振器。
【請求項５】前記レーザー発振制御手段が前記高周波
信号のスロープを開始させるときに、前記Ｑスイッチ内
部で発生された弾性波の振動を強制的に抑制するように
高周波信号の位相をずらすことを特徴とする請求項４記
載のレーザー発振器。
【請求項６】前記レーザー発振制御手段が前記高周波
信号のスロープを開始させる初期値を、直前の振幅より
も小さくすることを特徴とする請求項４または５のいず
れかに記載のレーザー発振器。
【請求項７】固体レーザー媒質と、前記固体レーザー
媒質を励起するための励起用光源と、前記固体レーザー
媒質から出射されるレーザー光の光軸上に位置する全反
射ミラーと、前記固体レーザー媒質を介して前記全反射
ミラーと対向する出力ミラーと、前記全反射ミラーと前
記出力ミラーとの間で前記固体レーザー媒質から出射さ
れる励起レーザー光の光軸上に配され、かつ高周波電圧
信号が印加されることにより励起レーザー光をパルス発
振させるＱスイッチを備えるレーザー発振器であって、前記レーザー発振器からのレーザー発振がなされる前
に、レーザー発振を停止できる最小の高周波信号である
閾値近傍まで前記高周波信号を調整し、レーザー発振開
始時に前記調整された高周波信号を前記閾値よりも低下
させるよう構成されたレーザー発振器。
【請求項８】レーザ発振器のレーザーパルス制御方法
において、Ｑスイッチに印加する高周波信号を前記レー
ザー発振器からのレーザー発振を停止できる最小の高周
波信号である閾値に設定する工程と、前記レーザー発振
器からのレーザー発振がなされる前に、前記設定された
閾値まで前記高周波信号を調整する工程と、前記調整さ
れた高周波信号をレーザー発振開始時に前記閾値よりも
低下させる工程を含むことを特徴とするレーザーパルス
制御方法。